JP5383911B2 - Robot controller - Google Patents
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Description
本発明は、モータなどのアクチュエータを用いてロボットを駆動するロボット制御装置に関する。 The present invention relates to a robot control apparatus that drives a robot using an actuator such as a motor.
操作者により指定された動作経由点をロボットが通過していく過程で、操作者が所望する動作の再現実行を行う動作の教示により、ロボットは組立作業などの複雑な動作を実現できる。操作者がロボットに動作を教示する方法としては、操作盤を用いてロボットの各関節やロボットの先端およびツールの位置および姿勢を指定していく間接教示と、ジョイスティックなどを用いた先端の自由度を模したポインティング装置あるいは先端部に取り付けたハンドルを操作者が操作する直接教示とがある。 The robot can realize a complex operation such as an assembling operation by teaching the operation to reproduce and execute the operation desired by the operator in the process of passing the operation via point specified by the operator. There are two ways for the operator to teach the robot to move: indirect teaching using the operation panel to specify the position and orientation of each joint of the robot, the tip of the robot and the tool, and the degree of freedom of the tip using a joystick, etc. There is a direct teaching in which an operator operates a pointing device imitating the above or a handle attached to the tip.
ハンドルを用いた直接教示は操作者にとって直感的であるため、教示にかかる時間を短縮させるというメリットがある。直接教示を実現させる方法としては、ロボットの一部の関節のサーボをフリー状態にして位置姿勢を指定する方法、静止時においてロボットの姿勢を維持するために必要なトルクのみを関節に与えておく方法(重力補償)などがある。しかし、操作者が関節を動かすためには、関節の減速機に起因する摩擦力に打ち勝つだけの外力を与える必要があるため、操作性はあまり良くない。そこでハンドルの取り付け部に力覚センサを設けて、操作者による操作力を入力とする力制御系を構築する方法が用いられることがある。またハンドなどのツールと対象物との衝突を検出するためにさらに力覚センサを取り付けているケースもある(例えば、特許文献1参照)。 Since direct teaching using the handle is intuitive to the operator, there is an advantage that the time required for teaching is shortened. Direct teaching can be achieved by specifying the position and orientation with the servos of some of the robot's joints in a free state, or applying only the torque necessary to maintain the robot's posture when stationary. There are methods (gravity compensation). However, in order for the operator to move the joint, it is necessary to apply an external force that overcomes the frictional force caused by the joint speed reducer, so the operability is not very good. Therefore, a method of constructing a force control system in which an operation force by an operator is input by providing a force sensor at a handle attachment portion may be used. There is also a case in which a force sensor is further attached to detect a collision between a tool such as a hand and an object (for example, see Patent Document 1).
しかし力覚センサは高価である上に、衝撃に対して脆弱であるため、力覚センサの使用が敬遠されることが多い。また、力覚センサはロボットの先端部付近に取り付けられることが多いため、リンク部へ付加された外力の検出はできない。 However, force sensors are expensive and vulnerable to impacts, so use of force sensors is often avoided. In addition, since the force sensor is often attached near the tip of the robot, the external force applied to the link portion cannot be detected.
付加的なセンサを用いずに、ロボットの先端部の衝突を検出する方法としては、関節の位置指令などから関節の必要駆動トルクを算出し、算出した必要駆動トルクと、各関節を駆動するモータの電流から求まる駆動トルクとを比較することでロボットの先端部の衝突の判別を行う方法が知られている(例えば、特許文献2参照)。 As a method for detecting a collision at the tip of the robot without using an additional sensor, the required drive torque of the joint is calculated from a joint position command or the like, and the calculated required drive torque and a motor for driving each joint are calculated. A method is known in which a collision of the tip of the robot is discriminated by comparing with a driving torque obtained from the current (see, for example, Patent Document 2).
このように、従来の技術は、ロボットの先端部の衝突の検出を行うことができる。直接教示の場合においては、先端部だけでなく、各リンク部への操作による教示が必要となるが、従来技術では、リンク部の衝突、すなわちリンク部へ付加された外力を検出することができないので、リンク部への直接教示を行うことができなかった。 Thus, the conventional technique can detect the collision of the tip of the robot. In the case of direct teaching, teaching is required not only at the tip portion but also by operation to each link portion. However, in the prior art, it is not possible to detect a collision of the link portion, that is, an external force applied to the link portion. Therefore, direct instruction to the link part could not be performed.
そこで、本発明は、先端部だけでなく、各リンク部への直接教示が可能なロボット制御装置を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a robot control apparatus capable of directly teaching not only the tip portion but also each link portion.
本発明の一態様は、関節軸及び前記関節軸に駆動力を伝達する駆動軸を有するロボットを制御するロボット制御装置であって、前記関節軸を制御周期毎に駆動するアクチュエータと、前記駆動軸の角度を検出する駆動軸角度検出部と、前記駆動軸の角度から前記関節軸の角度を算出する関節軸角度算出部と、前記関節軸の角度から前記ロボットの先端位置を算出する先端位置算出部と、前記先端位置の位置指令値と、前記先端位置との位置誤差を算出する位置誤差算出部と、前記関節軸の角度に基づいて前記関節軸での作業座標系と関節座標系との間の部分ヤコビ行列を算出し、前記部分ヤコビ行列を統合して前記先端位置での作業座標系と関節座標系との間のヤコビ行列を算出するヤコビ行列算出部と、関節角差分を算出する関節角差分算出部と、前記関節角差分に基づいて関節のトルク指令値を算出するトルク指令値算出部と、前記トルク指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動する駆動部と、前記関節軸の角度から前記アクチュエータを駆動するための駆動トルクを推定する駆動トルク推定部と、推定された前記駆動トルクと前記トルク指令値との差を外部トルクとして算出するとともに、前記外部トルクから外力が作用している外力作用関節軸を推定する外部トルク算出部と、前記外部トルクと前記部分ヤコビ行列から、前記外力作用関節軸に作用する外力を算出する外力算出部と、前記外力作用関節軸におけるコンプライアンスモデルを記憶するコンプライアンスモデル記憶部と、前記コンプライアンスモデルを用いて、前記外力に応じて前記外力作用関節軸での作業座標系位置に対するコンプライアンス修正量を算出するコンプライアンス修正量算出部と、前記コンプライアンス修正量と前記部分ヤコビ行列から前記関節角差分修正量を算出する関節角差分修正量算出部と、を備え、前記関節角差分算出部は、前記位置誤差と前記ヤコビ行列から逆運動学計算により修正前の関節角差分を算出し、前記修正前の関節角差分と前記関節角差分修正量との和を関節角差分として出力することを特徴とする。 One aspect of the present invention is a robot control apparatus that controls a robot having a joint axis and a drive axis that transmits a driving force to the joint axis, the actuator driving the joint axis for each control period; and the drive axis A drive shaft angle detector that detects the angle of the joint; an joint axis angle calculator that calculates the angle of the joint axis from the angle of the drive shaft; and a tip position calculator that calculates the tip position of the robot from the angle of the joint axis A position error calculating unit that calculates a position error between the position command value of the tip position and the tip position, and a work coordinate system and a joint coordinate system on the joint axis based on an angle of the joint axis. A Jacobian matrix calculation unit that calculates a partial Jacobian matrix between them, integrates the partial Jacobian matrix to calculate a Jacobian matrix between the work coordinate system and the joint coordinate system at the tip position, and calculates a joint angle difference Joint angle difference calculation A torque command value calculation unit that calculates a torque command value of a joint based on the joint angle difference, a drive unit that drives the actuator based on the torque command value, and an angle of the joint axis. A driving torque estimating unit that estimates a driving torque for driving, and an external force acting joint in which an external force is applied from the external torque while calculating a difference between the estimated driving torque and the torque command value as an external torque An external torque calculation unit that estimates an axis, an external force calculation unit that calculates an external force acting on the external force acting joint axis from the external torque and the partial Jacobian matrix, and a compliance model that stores a compliance model in the external force acting joint axis Using the storage unit and the compliance model, the external force acting joint shaft is operated according to the external force. A compliance correction amount calculation unit that calculates a compliance correction amount for a coordinate system position; and a joint angle difference correction amount calculation unit that calculates the joint angle difference correction amount from the compliance correction amount and the partial Jacobian matrix. The angle difference calculation unit calculates a joint angle difference before correction by inverse kinematics calculation from the position error and the Jacobian matrix, and calculates a sum of the joint angle difference before correction and the joint angle difference correction amount as a joint angle difference. Is output as
本発明によれば、ロボットの先端部のみならず、各リンク部への直接教示が可能なロボット制御装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a robot control apparatus capable of directly teaching not only the front end portion of the robot but also each link portion.
本発明の実施形態を以下に図面を参照して説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、具体的な寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description of the drawings, the same or similar parts are denoted by the same or similar reference numerals. However, the drawings are schematic, and specific dimensions should be determined in consideration of the following description. Moreover, it is a matter of course that portions having different dimensional relationships and ratios are included between the drawings.
また、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。 Further, the following embodiments exemplify apparatuses and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is the material, shape, structure, and arrangement of component parts. Etc. are not specified below. The technical idea of the present invention can be variously modified within the scope of the claims.
本発明の一実施形態によるロボット制御装置は、図1に示すように、中央演算処理装置(CPU)1と、アクチュエータ100と、駆動部(アンプ)101と、駆動軸角度検出部102と、位置データ記憶部200と、リンクパラメータ記憶部201と、摩擦係数記憶部202と、ヤコビ行列記憶部203と、力/モーメントデータ記憶部204と、コンプライアンスモデル記憶部205と、を備えている。
As shown in FIG. 1, a robot control apparatus according to an embodiment of the present invention includes a central processing unit (CPU) 1, an
この実施形態において制御対象の一例とするロボットは、図2に模式的に示すように、本体300と、本体300に設けられた可動部310と、を備えている。可動部310は、複数のリンク301、302と、駆動プーリ303及び従動プーリ304から構成される複数の関節306、307と、駆動プーリ303及び従動プーリ304に巻きつけた伝達機構(例えば、ベルト)308と、を有する。
A robot as an example of a control target in this embodiment includes a
図3に模式的に示すように、駆動プーリ303、減速機309、アクチュエータ100及び駆動軸角度検出部102が、駆動軸(関節)306に取り付けられている。アクチュエータ100が制御周期毎に回転駆動し、減速機309が回転数を落としトルクを上げる。一方、従動プーリ304及び関節軸角度検出部305が関節軸(関節)307に取り付けられている。駆動軸306の回転により、駆動プーリ303、伝達機構308及び従動プーリ304を介して関節軸307が回転駆動する。本実施形態のロボット制御装置においては、簡単のために、駆動軸306及び関節軸307に対して制御する場合について説明する。
As schematically shown in FIG. 3, the
駆動軸角度検出部102及び関節軸角度検出部305のそれぞれは、エンコーダ等の位置センサが使用可能であり、所定の周波数成分を除去するフィルタを備えていても良い。駆動軸角度検出部102は、駆動軸306の位置の変位量(駆動軸角度)を検出する。関節軸角度検出部305は、関節軸307の位置の変位量(関節軸角度)を検出する。また関節軸角度は、関節軸角度検出部305によって検出する代わりに、駆動軸角度と、減速機309の減速比および伝達機構308の伝達比とを用いて算出しても良い。
Each of the drive shaft
図1に示したCPU1は、関節軸角度算出部103と、先端位置算出部104と、ヤコビ行列算出部105と、駆動トルク推定部106と、外部トルク算出部107と、外力算出部108と、算出外力制限部109と、コンプライアンス修正量算出部110と、関節角差分修正量算出部111と、位置指令値生成部112と、位置誤差算出部113と、関節角差分算出部114と、トルク指令値算出部115と、をハードウェア資源であるモジュール(論理回路)として論理的に備えている。
1 includes a joint axis
関節軸角度算出部103は、駆動軸角度検出部102により算出された駆動軸角度に基づいて、減速機309の減速比と、伝達機構308のもつ駆動軸306と関節軸307の比とに応じた関節軸角度を算出する。なお、関節軸307に取り付けた関節軸角度検出部305により関節軸角度を直接算出してもよい。
Based on the drive shaft angle calculated by the drive shaft
先端位置算出部104は、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータを読み出し、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度と、読み出されたリンクパラメータとを用いて、順運動学計算によりロボットの作業座標系における先端位置を算出する。
The tip
ヤコビ行列算出部105は、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度から、ヤコビ行列を算出し、ヤコビ行列記憶部203に格納する。ヤコビ行列とは、ロボットの作業座標系と関節座標系との間の微小変位関係を表現した行列である。ヤコビ行列をJとして、ロボットの先端位置の誤差Δxと、関節角差分Δθは式(1)の関係を満たしている。
Δx=JΔθ … (1)
The Jacobian
Δx = JΔθ (1)
駆動トルク推定部106は、駆動軸角度検出102により算出された駆動軸角度と、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度とを用いて、ロボットの関節軸307を駆動するのに必要な駆動トルクを推定する。この駆動トルク推定部106の一具体例を図4に示す。この具体例の駆動トルク推定部106は、図4に示すように、駆動軸速度算出部400と、摩擦力トルク算出部401と、慣性力トルク算出部402と、重力トルク算出部403と、加算部404と、を備えている。
The drive
駆動軸速度算出部400は、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度に基づいて、例えば関節角度の時間差分を取ることにより駆動軸速度を算出する。摩擦力トルク算出部401は、摩擦係数記憶部202に格納された摩擦係数を読み出して、駆動軸速度算出部400により算出された駆動軸速度と、読み出された摩擦係数とを用いてクーロン摩擦、粘性摩擦等に相当する摩擦力トルクを算出する。
Based on the joint axis angle calculated by the joint axis
慣性力トルク算出部402は、速度算出ユニット410と、加速度算出ユニット411と、慣性モーメント算出ユニット412と、慣性力トルク算出ユニット413と、を備えている。速度算出ユニット410は、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度を用いて関節角速度を算出する。加速度算出ユニット411は、速度算出ユニット410により算出された関節角速度に基づいて関節角加速度を算出する。慣性モーメント算出ユニット412は、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータを読み出し、リンクパラメータと、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度とを用いて各リンク301、302の慣性モーメントを算出する。慣性力トルク算出ユニット413は、加速度算出ユニット411により算出された関節角加速度と、慣性モーメント算出ユニット412により算出された慣性モーメントとを用いて慣性力トルクを算出する。
The inertia force
重力トルク算出部403は、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータを読み出し、読み出されたリンクパラメータと、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度とを用いて、各リンク301、302に作用する重力を算出し、この算出された重力を補償する重力トルクを算出する。
The gravitational
加算部404は、摩擦力トルク算出部401により算出された摩擦力トルクと、慣性力トルク算出ユニット413により算出された慣性力トルクと、重力トルク算出部403により算出された重力トルクとを加算し、その和を推定した駆動トルクとして出力する。
The
図1に示した外部トルク算出部107は、駆動トルク推定部106により推定された駆動トルクと、トルク指令値算出部116により算出されたトルク指令値との差を外部トルクとして算出する。
The external
外力算出部108は、外部トルク算出部107により算出された外部トルクと、ヤコビ行列算出部105により算出されたヤコビ行列とを用いて外力を算出する。仮想仕事の原理より、次の式(2)のように外部トルクτdにヤコビ行列Jの転置行列JTの逆行列を乗じることにより外力fdが算出される。
fd=(JT)−1τd …(2)
ここで、ロボットの先端部ではなくリンク部に外力が作用した場合、先端部に近い駆動軸の外部トルクは0である。そこで外部トルクベクトルτdの各要素において0とならない部分ベクトルをτdiとし、この部分ベクトルτdiを次の式(3)のように表す。
τdi=(τdi1、 ・・・、 τdii) …(3)
すなわち、ベースから第i番目の関節軸に働く外力は0ではないが、第i+1番目から先端部までの関節軸に働く外力が0とする。この場合、第i番目の関節軸までの部分ヤコビ行列Jiの転置行列Ji Tの逆行列を乗じることで第i番目の関節軸において作用する外力が求められる。ベースから第i番目の関節軸までの部分ヤコビ行列Jiはヤコビ行列の一部であり、次の式(4)を用いて求められる。
fdi=(Ji T)−1τdi …(5)
The external
f d = (J T ) −1 τ d (2)
Here, when an external force acts on the link portion instead of the tip portion of the robot, the external torque of the drive shaft near the tip portion is zero. Therefore, a partial vector that does not become zero in each element of the external torque vector τ d is denoted by τ di, and this partial vector τ di is represented by the following equation (3).
τ di = (τ di1 ,..., τ dii ) (3)
That is, the external force acting on the i-th joint axis from the base is not zero, but the external force acting on the joint axis from the (i + 1) -th to the tip is zero. In this case, an external force acting on the i-th joint axis is obtained by multiplying the inverse matrix of the transposed matrix J i T of the partial Jacobian matrix J i up to the i-th joint axis. The partial Jacobian matrix J i from the base to the i-th joint axis is a part of the Jacobian matrix, and is obtained using the following equation (4).
f di = (J i T ) −1 τ di (5)
109は、力/モーメントデータ記憶部204に記憶された許容力および許容モーメントデータ(許容値)を読み出して、もし算出された外力が許容値を超えている場合は飽和処理を行う。すなわち、許容値を算出された外力として出力する。また、設定された最小値よりも小さい場合は算出された外力を0として算出する(不感帯処理)。算出された外力が最小値以上で許容値以下の場合には、算出された外力をそのまま出力する。
109 reads the allowable force and allowable moment data (allowable value) stored in the force / moment
コンプライアンス修正量算出部111は、コンプライアンスモデル記憶部205からコンプライアンスモデルを読み出して、読み出されたコンプライアンスモデルを用いて、算出外力制限部109の出力に応じた位置修正量を算出する。ここで、コンプライアンスモデルとは、例えば式(6)に示すように接触対象との間において仮想的に慣性、粘性、剛性を想定したものである。
Md2Δx/dt2+DdΔx/dt+KΔx=KfΔf …(6)
ここで、Δxは外力作用関節に設定された作業座標系での誤差、dΔx/dtは作業座標系での速度、d2Δx/dt2は作業座標系での加速度ベクトル、Mは慣性行列、Dは粘性係数行列、Kは剛性係数行列、Kfは力フィードバックゲイン行列である。力と位置の作用させる軸を切り替えるコンプライアンス選択行列は力フィードバックゲイン行列Kfに含んだ形になっている。誤差の速度dΔx/dt及び加速度ベクトルd2Δx/dt2は、それぞれ位置誤差ベクトルΔxの時間に関する一回差分、二回差分で近似できることから、外力作用関節でのコンプライアンス修正量Δxcompは、次の式(7)を用いて算出することができる。
Δxcomp=1/K(KfΔf−Md2Δx/dt2−DdΔx/dt) …(7)
The compliance correction
Md 2 Δx / dt 2 + DdΔx / dt + KΔx = K f Δf (6)
Here, Δx is an error in the work coordinate system set for the external force acting joint, dΔx / dt is a speed in the work coordinate system, d 2 Δx / dt 2 is an acceleration vector in the work coordinate system, M is an inertia matrix, D is a viscosity coefficient matrix, K is a stiffness coefficient matrix, and Kf is a force feedback gain matrix. Compliance selection matrix for switching an axis to the action of force and location is in a form including a force feedback gain matrix K f. The error speed dΔx / dt and the acceleration vector d 2 Δx / dt 2 can be approximated by a one-time difference and a two-time difference with respect to the time of the position error vector Δx, respectively. Therefore, the compliance correction amount Δx comp at the external force acting joint is It can be calculated using the equation (7).
Δx comp = 1 / K (K f Δf−Md 2 Δx / dt 2 −DdΔx / dt) (7)
関節角差分修正量算出部111は、コンプライアンス修正量Δxcompから部分ヤコビ行列Jiの逆行列を用いて外力作用関節までの関節角差分修正量を、次の式(8)を用いて算出する。
Δθcomp=Ji −1Δxcomp …(8)
The joint angle difference correction
Δθ comp = J i −1 Δx comp (8)
位置指令値生成部112は、位置データ記憶部200に記憶された目標先端位置データを読み出して、この目標先端位置データから各制御周期における補間された先端位置指令値を算出する。
The position command
位置誤差算出部113は、位置指令値生成部112により生成した先端位置指令値xRと、先端位置算出部104により算出された現在の先端位置xとに基づいて、次の式(9)を利用して位置誤差Δxを算出する。
Δx=xR−x …(9)
Δx = x R −x (9)
関節角差分算出部114は、位置誤差算出部113により算出された誤差Δxと、ヤコビ行列Jの逆行列J−1とを用いて算出した、誤差Δxによる関節角差分に、先の関節角差分修正量Δθcompを加えて次の式(10)のように算出する。
Δθ=J−1Δx+Δθcomp …(10)
トルク指令値算出部115は、関節角差分算出部114により算出された関節角差分を積分することによりトルク指令値(制御目標値)を生成する。駆動部101は、トルク指令値算出部115により算出されたトルク指令値にしたがってアクチュエータ100を制御周期毎に駆動する。The joint angle
Δθ = J −1 Δx + Δθ comp (10)
The torque command
位置データ記憶部200、リンクパラメータ記憶部201、摩擦係数記憶部202、ヤコビ行列記憶部203、力/モーメントデータ記憶部204、及びコンプライアンスモデル記憶部205としては、例えば半導体メモリ、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスクや磁気テープ等が採用可能である。
Examples of the position
位置データ記憶部200は、位置指令値生成部111が先端位置指令値を生成するために使用する目標先端位置データ列を記憶している。リンクパラメータ記憶部201は、ロボットのリンク301、302に関するリンクパラメータを記憶している。摩擦係数記憶部202は、摩擦力トルク算出部401が摩擦力トルクを算出するために使用する、予め定速運転において速度−トルク関係から求めておいた摩擦係数データを記憶している。ヤコビ行列記憶部203は、ヤコビ行列算出部105により算出されるヤコビ行列を記憶している。力/モーメントデータ記憶部204は、力指令値生成部109が先端位置力指令値を生成するために使用する目標先端力データ列を記憶している。コンプライアンスモデル記憶部205は、予め設定されたコンプライアンスモデルを記憶している。
The position
(ロボット制御方法)
次に、本実施形態によるロボット制御装置の動作を、図5に示すフローチャートを参照しながら説明する。(Robot control method)
Next, the operation of the robot control apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
(a)まず、制御演算を開始し、位置指令値生成部112によって、位置データ記憶部200から目標先端位置データ列が読み出されて、目標先端位置データ列に基づいて各制御周期における先端位置指令値が生成される(ステップ、S100、S101)。次に、ステップS102において、位置指令値生成部112により生成された先端位置指令値と、先端位置算出部104により算出された先端位置との誤差が位置誤差算出部113によって算出される。続いて、ステップS103において、位置誤差算出部113により算出された誤差に対して、関節角差分算出部114によって、ヤコビ行列記憶部203から読み出したヤコビ行列を用いて式(10)に示すように、逆運動学計算を行って関節角差分が、後述する関節角差分修正量を考慮して算出される。
(A) First, control calculation is started, and the target tip position data string is read from the position
その後、ステップS104において、関節角差分算出部114により算出された関節角差分を積分することによりトルク指令値がトルク指令値算出部115によって算出される。次に、ステップS105において、トルク指令値算出部115により算出されたトルク指令値を制御目標値として駆動部101によってアクチュエータ100が駆動されることにより、駆動軸306が駆動され、先端位置が制御される。続いて、ステップS106において、制御演算の終了を確認し、ステップS107でサーボ処理を終了する。ステップS106において制御演算が終了でなければ後述するステップS108に進む。
Thereafter, in step S104, the torque command value is calculated by the torque command
(b)次に、ステップS108において、駆動軸角度検出部102によって駆動軸角度を検出する。次に、ステップS109において、駆動軸角度検出部102により算出された駆動軸角度から、減速機の減速比などに基づいて関節軸角度算出部103によって関節軸角度が算出される。ステップS110において、先端位置算出部104によって、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータが読み出され、この読み出されたリンクパラメータと、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度とを用いて、順運動学計算により、先端位置が算出される。ステップS111において、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度を用いて、ヤコビ行列算出部105によってヤコビ行列が算出される。
(B) Next, in step S108, the drive
(c)次に、ステップS112において、駆動軸角度検出部102により算出された駆動軸角度と、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度とを用いて駆動トルク推定部106によって駆動トルクが推定される。ステップS113において、駆動トルク推定部106により推定された駆動トルクと、トルク指令値算出部116により算出された実際のトルク指令値との差から外部トルク算出部107によって外部トルクが算出される。ステップS114において、外部トルク算出部107により算出された外部トルクと、ヤコビ行列算出部105により算出された部分ヤコビ行列とを用いて、外力算出部108によって式(5)に示す外力が算出される。
(C) Next, in step S112, the drive
(d)次に、ステップS115において、力/モーメントデータ記憶部204から許容力/モーメントデータ列が読み出されて、この読み出された許容力/モーメントデータ列と、外力算出部108によって算出された外力とが109によって比較され、この比較結果に基づいて、制限された外力が出力される。すなわち、算出外力制限部109によって飽和処理または不感帯処理が行われる。
(D) Next, in step S115, an allowable force / moment data string is read from the force / moment
(e)次に、ステップS116において、コンプライアンス修正量算出部110によってコンプライアンスモデル記憶部205からコンプライアンスモデルが読み出され、コンプライアンスモデルを用いて式(7)に示すように算出外力制限部109により制限されら外力に応じた外力作用関節での修正量がコンプライアンス修正量算出部110によって算出される。ステップS117において、コンプライアンス修正量から部分ヤコビ行列を用いて式(8)に示すように関節角差分修正量が関節角差分修正量算出部111によって算出される。ステップS103に戻り、式(9)に示すように、位置指令値生成部112により生成された先端位置指令値と、先端位置算出部104により算出された先端位置との誤差にヤコビ行列の逆行列を乗じたものに、関節角差分修正量算出部111から算出された修正量を考慮した関節角差分が位置誤差算出部113によって算出される。
(E) Next, in step S116, the compliance correction
(駆動トルク推定処理)
次に、図5に示したステップS112の駆動トルク推定処理を図6に示すフローチャートを参照しながら説明する。(Driving torque estimation process)
Next, the drive torque estimation process in step S112 shown in FIG. 5 will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
(a)ステップS200において、駆動トルク推定処理が開始され、ステップS201において、駆動軸角度検出部102により検出された駆動軸角度から時間差分を取ることにより駆動軸速度算出部400によって駆動軸速度が算出される。更に、摩擦係数記憶部202から摩擦係数が読み出され、この読み出された摩擦係数と、駆動軸速度算出部400により算出された駆動軸速度とを用いて摩擦力トルク算出部401によって摩擦力トルクが算出される。
(A) In step S200, a drive torque estimation process is started. In step S201, the drive shaft
(b)ステップS202において、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度の時間差分を取ることにより速度算出ユニット410によって関節角速度が算出される。ステップS203において、速度算出ユニット410により関節角速度の時間差分を取ることにより加速度算出ユニット411によって関節角加速度が算出される。ステップS204において、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータが読み出され、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度と、読み出されたリンクパラメータと、を用いて慣性モーメント算出ユニット412によって、各関節におけるリンクの慣性モーメントが算出される。ステップS205において、加速度算出ユニット411により算出された関節角加速度と、慣性モーメント算出ユニット412により算出された慣性モーメントとに基づいて、慣性力トルク算出ユニット413によって慣性力トルクが算出される。
(B) In step S202, the joint angular velocity is calculated by the
(c)ステップS206において、リンクパラメータ記憶部201からリンクパラメータが読み出され、関節軸角度算出部103により算出された関節軸角度関節軸角度と、読み出されたリンクパラメータとに基づいて、重力トルク算出部403によって各リンク301、302に作用する重力が算出され、これを補償する重力トルクが算出される。
(C) In step S206, the link parameter is read from the link
(d)ステップS207において、摩擦力トルク算出部401により算出された摩擦力トルクと、慣性力トルク算出ユニット413により算出された慣性力トルクと、重力トルク算出部403により算出された重力トルクとが加算部404によって加算されて、推定した駆動トルクとして算出される。ステップS208において駆動トルク推定処理が終了する。
(D) In step S207, the friction force torque calculated by the friction force
以上説明したように、本実施形態によれば、それぞれのリンクへ作用する外力を推定することが可能となり、推定した外力に基づいて設定したコンプライアンスモデルにより柔軟な動作を行うことで、ロボットへの簡便な直接教示を実現することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to estimate the external force acting on each link, and by performing a flexible operation with the compliance model set based on the estimated external force, Simple direct teaching can be realized.
(変形例)
本実施形態の変形例によるロボット制御装置を図7に示す。この変形例のロボット制御装置は、コンプライアンスモデルのパラメータ変更を行うことが可能な制御装置である。この変形例のロボット制御装置は、図1に示す本実施形態のロボット制御装置において、コンプライアンスパラメータ修正部116を新たに設けた構成を有している。(Modification)
A robot control apparatus according to a modification of this embodiment is shown in FIG. The robot control device of this modification is a control device capable of changing the parameters of the compliance model. The robot control apparatus of this modification has a configuration in which a compliance
直接教示のために操作者によって加えられる外力に対するコンプライアンスモデルと、衝突時のコンプライアンスモデルとは異なっており、通常、コンプライアンスモデルのパラメータを変更することで対応している。しかし付加的なセンサを用いない場合、意図された外力と衝突による外力とを明確に区別することは困難であり、またそれぞれのパラメータセットを連続的に変化させなければ、パラメータの切り替え時に安定して動作することができない。 A compliance model for an external force applied by an operator for direct teaching is different from a compliance model at the time of collision, and is usually handled by changing parameters of the compliance model. However, without the use of additional sensors, it is difficult to clearly distinguish between the intended external force and the external force caused by a collision. Can not work.
そこで図7に示す変形例のように、コンプライアンスパラメータ修正部116を設けることにより衝突時においても安定して動作することを可能にする。このコンプライアンスパラメータ修正部116は、コンプライアンス修正量算出部110より算出されたコンプライアンス修正量の履歴から、コンプライアンスモデルのパラメータを変更し、これをコンプライアンスモデル記憶部205に書き込んでいく。動作開始時においては衝突時用のコンプライアンスモデルのパラメータであり、修正量は直接教示により発生しているため、発生した外力成分のみパラメータが変更され、より柔軟性を増して操作性を向上させることができる。
Therefore, as in the modification shown in FIG. 7, by providing the compliance
また、コンプライアンスモデルのパラメータの修正は、定期的な周期で行ってもよい。このパラメータを修正する周期は、制御周期の数倍程度を取ることもある。これによりパラメータの修正によりロボットの動作が振動的にならない効果がある。 Further, the correction of the parameters of the compliance model may be performed at regular intervals. The period for correcting this parameter may take several times the control period. As a result, there is an effect that the operation of the robot does not vibrate by correcting the parameters.
次に、この変形例のコンプライアンスパラメータ修正部の動作を図8に示すフローチャートを参照しながら説明する。 Next, the operation of the compliance parameter correction unit of this modification will be described with reference to the flowchart shown in FIG.
ステップS301において、コンプライアンスパラメータ修正処理を開始する。ステップS302において、本制御周期(パラメータを修正する周期)においてコンプライアンスモデルのパラメータを修正するかどうかを確認する。修正しない場合はステップS304へ進み、終了する。修正する場合はステップS303へ進み、コンプライアンスパラメータ修正部116によってコンプライアンスモデルのパラメータが修正され、コンプライアンスモデル記憶部205に修正結果が書き込まれ、ステップS304にて終了する。
In step S301, the compliance parameter correction process is started. In step S302, it is confirmed whether or not the parameters of the compliance model are to be corrected in this control cycle (parameter correction cycle). When not correcting, it progresses to step S304 and complete | finishes. In the case of correction, the process proceeds to step S303, the compliance
上記のように、本発明の実施形態を説明したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。 As described above, the embodiments of the present invention have been described. However, it should not be understood that the descriptions and drawings constituting a part of this disclosure limit the present invention. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.
例えば、本発明の実施形態において、慣性力トルクの算出の際に、速度算出ユニット410及び加速度算出ユニット411による関節軸角度の時間に関する二回差分で算出された関節角加速度を用いているが、制御周期によっては時間遅れが大きくなりトルク誤差が大きくなりやすくなる。その場合は、図9に示すように、リンク301に搭載した加速度センサ311からリンク301の加速度を検出し、検出した加速度を加速度算出ユニット411が関節角加速度へ変換して、この関節角加速度を基に慣性力トルクを算出してもよい。
For example, in the embodiment of the present invention, when calculating the inertial force torque, the joint angular acceleration calculated by the twice difference regarding the time of the joint axis angle by the
また、駆動トルク推定処理としては、摩擦力トルクと、慣性力トルクと、重力トルクと用いて駆動トルクを推定する一例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、遠心力やコリオリの力等のパラメータを更に考慮しても良い。 In addition, as an example of the drive torque estimation process, an example is shown in which the drive torque is estimated using the frictional force torque, the inertial force torque, and the gravity torque, but is not limited thereto. For example, parameters such as centrifugal force and Coriolis force may be further considered.
また、CPU1、位置データ記憶部200、リンクパラメータ記憶部201、摩擦係数記憶部202、ヤコビ行列記憶部203、力/モーメントデータ記憶部204及びコンプライアンスモデル記憶部205等が制御対象であるロボットの内部に埋め込まれて一体化されていても良い。また、CPU1、位置データ記憶部200、リンクパラメータ記憶部201、摩擦係数記憶部202、ヤコビ行列記憶部203、力/モーメントデータ記憶部204及びコンプライアンスモデル記憶部205等が制御対象であるロボットの外部にあり、ロボットを有線或いは無線で遠隔制御することも可能である。
The CPU 1, the position
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。 As described above, the present invention naturally includes various embodiments not described herein. Therefore, the technical scope of the present invention is defined only by the invention specifying matters according to the scope of claims reasonable from the above description.
1 中央演算処理装置(CPU)
100 アクチュエータ
101 駆動部
102 駆動軸角度検出部
103 関節軸角度算出部
104 先端位置算出部
105 ヤコビ行列算出部
106 駆動トルク推定部
107 外部トルク算出部
108 外力算出部
109 算出外力制限部
110 コンプライアンス修正量算出部
111 関節角差分修正量算出部
112 位置指令値生成部
113 位置誤差算出部
114 関節角差分算出部
115 トルク指令値算出部
115 コンプライアンスパラメータ修正量算出部
200 位置データ記憶部
201 リンクパラメータ記憶部
202 摩擦係数記憶部
203 ヤコビ行列記憶部
204 力/モーメントデータ記憶部
205 コンプライアンスモデル記憶部
300 本体
301、302 リンク
303 駆動プーリ
304 従動プーリ
305 関節軸角度検出部
306 駆動軸(関節)
307 関節軸(関節)
308 伝達機構
309 減速機
310 可動部
311 加速度センサ
400 駆動軸速度算出部
401 摩擦力トルク算出部
402 慣性力トルク算出部
403 重力トルク算出部
404 加算部
410 速度算出ユニット
411 加速度算出ユニット
412 慣性モーメント算出ユニット
413 慣性力トルク算出ユニット1 Central processing unit (CPU)
DESCRIPTION OF
307 Joint axis (joint)
308
Claims (4)
前記関節軸を制御周期毎に駆動するアクチュエータと、
前記駆動軸の角度を検出する駆動軸角度検出部と、
前記駆動軸の角度から前記関節軸の角度を算出する関節軸角度算出部と、
前記関節軸の角度から前記ロボットの先端位置を算出する先端位置算出部と、
前記先端位置の位置指令値と、前記先端位置との位置誤差を算出する位置誤差算出部と、
前記関節軸の角度に基づいて前記先端位置での作業座標系と関節座標系との間のヤコビ行列を算出するヤコビ行列算出部と、
関節角差分を算出する関節角差分算出部と、
前記関節角差分に基づいて関節のトルク指令値を算出するトルク指令値算出部と、
前記トルク指令値に基づいて前記アクチュエータを駆動する駆動部と、
前記関節軸の角度から前記関節軸を駆動するのに必要な駆動トルクを推定する駆動トルク推定部と、
推定された前記駆動トルクと前記トルク指令値との差を外部トルクとして算出する外部トルク算出部と、
前記外部トルクと前記ヤコビ行列から前記外部トルクの要素が0とならない前記外部トルクの部分ベクトルを求めるとともに前記部分ベクトルに関連し外力が作用している外力作用関節軸に関する部分ヤコビ行列を求め、この部分ヤコビ行列と前記部分ベクトルとから前記外力作用関節軸に作用する外力を算出する外力算出部と、
前記外力作用関節軸におけるコンプライアンスモデルを記憶するコンプライアンスモデル記憶部と、
前記コンプライアンスモデルを用いて、前記外力に応じて前記外力作用関節軸での作業座標系位置に対するコンプライアンス修正量を算出するコンプライアンス修正量算出部と、
前記コンプライアンス修正量と前記部分ヤコビ行列から関節角差分修正量を算出する関節角差分修正量算出部と、
を備え、
前記関節角差分算出部は、前記位置誤差と前記ヤコビ行列から逆運動学計算により修正前の関節角差分を算出し、前記修正前の関節角差分と前記関節角差分修正量との和を関節角差分として出力するロボット制御装置。 A robot control apparatus for controlling a robot having a joint axis and a drive axis that transmits a driving force to the joint axis,
An actuator for driving the joint axis for each control cycle;
A drive shaft angle detector for detecting the angle of the drive shaft;
A joint axis angle calculator that calculates the angle of the joint axis from the angle of the drive axis;
A tip position calculator that calculates the tip position of the robot from the angle of the joint axis;
A position error calculation unit for calculating a position error between the position command value of the tip position and the tip position;
A Jacobian matrix calculation unit that calculates a Jacobian matrix between the working coordinate system and the joint coordinate system at the end position based on the angle of the joint axis,
A joint angle difference calculating unit for calculating a joint angle difference;
A torque command value calculation unit for calculating a torque command value of a joint based on the joint angle difference;
A drive unit for driving the actuator based on the torque command value;
A drive torque estimation unit that estimates a drive torque necessary to drive the joint axis from an angle of the joint axis ;
An external torque calculator that calculates the difference between the estimated drive torque and the torque command value as an external torque;
From the external torque and the Jacobian matrix, a partial vector of the external torque in which the element of the external torque is not 0 is obtained, and a partial Jacobian matrix related to an external force acting joint axis on which an external force is applied in relation to the partial vector is obtained. An external force calculation unit that calculates an external force acting on the external force acting joint axis from a partial Jacobian matrix and the partial vector ;
A compliance model storage unit for storing a compliance model in the external force acting joint axis;
Using the compliance model, a compliance correction amount calculation unit that calculates a compliance correction amount for a work coordinate system position at the external force acting joint axis according to the external force;
A joint angle difference correction calculation unit for calculating the compliance correction amount and the partial Jacobian matrix or Luo Takashi Seki angle difference correction amount,
With
The joint angle difference calculation unit calculates a joint angle difference before correction by inverse kinematics calculation from the position error and the Jacobian matrix, and calculates a sum of the joint angle difference before correction and the joint angle difference correction amount as a joint. robot controller you output as the angular difference.
前記修正量記憶部に格納された複数の修正量からコンプライアンスパラメータを修正するコンプライアンスパラメータ修正部と、
を更に備える請求項1記載のロボット制御装置。 A correction amount storage unit for storing the compliance correction amount;
A compliance parameter correction unit for correcting a compliance parameter from a plurality of correction amounts stored in the correction amount storage unit;
Further comprising Ru claim 1, wherein the robot control device.
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